Здесь мы рассмотрим определение конечного предела последовательности. Случай последовательности, сходящейся к бесконечности, рассмотрен на странице «Определение бесконечно большой последовательности» .
Определение
.
{
x n }
,
если для любого положительного числа ε > 0
существует такое натуральное число N ε
,
зависящее от ε
,
что для всех натуральных n > N ε
выполняется неравенство
|
x n - a|
< ε
.
Предел последовательности обозначается так:
.
Или при .
Преобразуем неравенство:
;
;
.
Открытый интервал (a - ε, a + ε ) называют ε - окрестностью точки a .
Последовательность, у которой существует предел называется сходящейся последовательностью . Также говорят, что последовательность сходится к a . Последовательность, не имеющая предела, называется расходящейся .
Из определения следует, что, если последовательность имеет предел a , что какую бы ε - окрестностью точки a мы не выбрали, за ее пределами может оказаться, лишь конечное число элементов последовательности, или вообще ни одного (пустое множество). А любая ε - окрестность содержит бесконечное число элементов. В самом деле, задав определенное число ε , мы, тем самым имеем число . Так что все элементы последовательности с номерами , по определению, находятся в ε - окрестностью точки a . Первые элементов могут находиться где угодно. То есть за пределами ε - окрестности может находиться не более элементов - то есть конечное число.
Также заметим, что разность вовсе не обязана монотонно стремиться к нулю, то есть все время убывать. Она может стремиться к нулю не монотонно: может то возрастать, то убывать, имея локальные максимумы. Однако эти максимумы, с ростом n , должны стремиться к нулю (возможно тоже не монотонно).
С помощью логических символов существования и всеобщности, определение предела можно записать следующим образом:
(1)
.
Определение, что число a не является пределом
Теперь рассмотрим обратное утверждение, что число a не является пределом последовательности.
Число a
не является пределом последовательности
,
если существует такое ,
что для любого натурального n
существует такое натуральное m >
n
,
что
.
Запишем это утверждение с помощью логических символов.
(2)
.
Утверждение, что число a
не является пределом последовательности
, означает, что
можно выбрать такую ε
- окрестность точки a
,
за пределами которой будет находиться бесконечное число элементов последовательности
.
Рассмотрим пример
. Пусть задана последовательность с общим элементом
(3)
Любая окрестность точки содержит бесконечное число элементов. Однако эта точка не является пределом последовательности, поскольку и любая окрестность точки также содержит бесконечное число элементов. Возьмем ε
- окрестность точки с ε = 1
.
Это будет интервал (-1, +1)
.
Все элементы, кроме первого, с четными n
принадлежат этому интервалу. Но все элементы с нечетными n
находятся за пределами этого интервала, поскольку они удовлетворяют неравенству x n > 2
.
Поскольку число нечетных элементов бесконечно, то за пределами выбранной окрестности будет находиться бесконечное число элементов. Поэтому точка не является пределом последовательности.
Теперь покажем это, строго придерживаясь утверждения (2). Точка не является пределом последовательности (3), поскольку существует такое ,
так что, для любого натурального n
,
существует нечетное ,
для которого выполняется неравенство
.
Также можно показать, что любая точка a не может являться пределом этой последовательности. Мы всегда можем выбрать такую ε - окрестность точки a , которая не содержит либо точку 0, либо точку 2. И тогда за пределами выбранной окрестности будет находиться бесконечное число элементов последовательности.
Эквивалентное определение
Можно дать эквивалентное определение предела последовательности, если расширить понятие ε - окрестности. Мы получим равносильное определение, если в нем, вместо ε - окрестности, будет фигурировать любая окрестность точки a .
Определение окрестности точки
Окрестностью точки a
называется любой открытый интервал, содержащий эту точку. Математически окрестность определяется так: ,
где ε 1
и ε 2
- произвольные положительные числа.
Тогда определение предела будет следующим.
Эквивалентное определение предела последовательности
Число a
называется пределом последовательности
,
если для любой ее окрестности существует такое натуральное число N
,
что все элементы последовательности с номерами принадлежат этой окрестности.
Это определение можно представить и в развернутом виде.
Число a
называется пределом последовательности
,
если для любых положительных чисел и существует такое натуральное число N
,
зависящее от и ,
что для всех натуральных выполняются неравенства
.
Доказательство равносильности определений
Докажем, что, представленные выше, два определения предела последовательности равносильны.
Пусть число a
является пределом последовательности согласно первому определению. Это означает, что имеется функция ,
так что для любого положительного числа ε
выполняются неравенства:
(4)
при .
Покажем, что число a
является пределом последовательности и по второму определению. То есть нам нужно показать, что существует такая функция ,
так что для любых положительных чисел ε 1
и ε 2
выполняются неравенства:
(5)
при .
Пусть мы имеем два положительных числа: ε 1
и ε 2
.
И пусть ε
- наименьшее из них: .
Тогда ;
;
.
Используем это в (5):
.
Но неравенства выполняются при .
Тогда и неравенства (5) выполняются при .
То есть мы нашли такую функцию ,
при которой выполняются неравенства (5) для любых положительных чисел ε 1
и ε 2
.
Первая часть доказана.
Теперь пусть число a
является пределом последовательности согласно второму определению. Это означает, что имеется функция ,
так что для любых положительных чисел ε 1
и ε 2
выполняются неравенства:
(5)
при .
Покажем, что число a
является пределом последовательности и по первому определению. Для этого нужно положить .
Тогда при выполняются неравенства:
.
Это соответствует первому определению с .
Равносильность определений доказана.
Примеры
Здесь мы рассмотрим несколько примеров, в которых требуется доказать, что заданное число a является пределом последовательности. При этом нужно задать произвольные положительное число ε и определить функцию N от ε такую, что для всех выполняется неравенство .
Пример 1
Доказать, что .
(1)
.
В нашем случае ;
.
.
Воспользуемся свойствами неравенств . Тогда если и ,
то
.
.
Тогда
при .
Это означает, что число является пределом заданной последовательности:
.
Пример 2
С помощью определения предела последовательности доказать, что
.
Выпишем определение предела последовательности:
(1)
.
В нашем случае ,
;
.
Вводим положительные числа и :
.
Воспользуемся свойствами неравенств . Тогда если и ,
то
.
То есть, для любого положительного ,
мы можем взять любое натуральное число, большее или равное :
.
Тогда
при .
.
Пример 3
.
Вводим обозначения ,
.
Преобразуем разность:
.
Для натуральных n = 1, 2, 3, ...
имеем:
.
Выпишем определение предела последовательности:
(1)
.
Вводим положительные числа и :
.
Тогда если и ,
то
.
То есть, для любого положительного ,
мы можем взять любое натуральное число, большее или равное :
.
При этом
при .
Это означает, что число является пределом последовательности :
.
Пример 4
Используя определение предела последовательности доказать, что
.
Выпишем определение предела последовательности:
(1)
.
В нашем случае ,
;
.
Вводим положительные числа и :
.
Тогда если и ,
то
.
То есть, для любого положительного ,
мы можем взять любое натуральное число, большее или равное :
.
Тогда
при .
Это означает, что число является пределом последовательности :
.
Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
С.М. Никольский. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 1983.
Доказывая свойства предела функции, мы убедились, что от проколотых окрестностей, в которых были определены наши функции и которые возникали в процессе доказательств, кроме свойств указанных во введении к предыдущему пункту 2, действительно ничего не потребовалось. Это обстоятельство служит оправданием для выделения следующего математического объекта.
а. База; определение и основные примеры
Определение 11. Совокупность В подмножеств множества X будем называть базой в множестве X, если выполнены два условия:
Иными словами, элементы совокупности В суть непустые множества и в пересечении любых двух из них содержится некоторый элемент из той же совокупности.
Укажем некоторые наиболее употребительные в анализе базы.
Если то вместо пишут и говорят, что х стремится к а справа или со стороны больших значений (соответственно, слева или со стороны меньших значений). При принята краткая запись вместо
Запись будет употребляться вместо Она означает, что а; стремится по множеству Е к а, оставаясь больше (меньше), чем а.
то вместо пишут и говорят, что х стремится к плюс бесконечности (соответственно, к минус бесконечности).
Запись будет употребляться вместо
При вместо мы (если это не ведет к недоразумению) будем, как это принято в теории предела последовательности, писать
Заметим, что все перечисленные базы обладают той особенностью, что пересечение любых двух элементов базы само является элементом этой базы, а не только содержит некоторый элемент базы. С другими базами мы встретимся при изучении функций, заданных не на числовой оси.
Отметим также, что используемый здесь термин «база» есть краткое обозначение того, что в математике называется «базисом фильтра», а введенный ниже предел по базе есть наиболее существенная для анализа часть созданного современным французским математиком А. Картаном понятия предела по фильтру
b. Предел функции по базе
Определение 12. Пусть - функция на множестве X; В - база в X. Число называется пределом функции по базе В, если для любой окрестности точки А найдется элемент базы, образ которого содержится в окрестности
Если А - предел функции по базе В, то пишут
Повторим определение предела по базе в логической символике:
Поскольку мы сейчас рассматриваем функции с числовыми значениями, полезно иметь в виду и следующую форму этого основного определения:
В этой формулировке вместо произвольной окрестности V (А) берется симметричная (относительно точки А) окрестность (е-окрестность). Эквивалентность этих определений для вещественнозначных функций вытекает из того, что, как уже говорилось, в любой окрестности точки содержится некоторая симметричная окрестность этой же точки (проведите доказательство полностью!).
Мы дали общее определение предела функции по базе. Выше были рассмотрены примеры наиболее употребительных в анализе баз. В конкретной задаче, где появляется та или иная из этих баз, необходимо уметь расшифровать общее определение и записать его для конкретной базы.
Рассматривая примеры баз, мы, в частности, ввели понятие окрестности бесконечности. Если использовать это понятие, то в соответствии с общим определением предела разумно принять следующие соглашения:
или, что то же самое,
Обычно под подразумевают малую величину. В приведенных определениях это, разумеется, не так. В соответствии с принятыми соглашениями, например, можем записать
Для того чтобы можно было считать доказанными и в общем случае предела по произвольной базе все те теоремы о пределах, которые мы доказали в пункте 2 для специальной базы , необходимо дать соответствующие определения: финально постоянной, финально ограниченной и бесконечно малой при данной базе функций.
Определение 13. Функция называется финально постоянной при базе В, если существуют число и такой элемент базы, в любой точке которого
В данный же момент основная польза от сделанного наблюдения и введенного в связи с ним понятия базы состоит в том, что они избавляют нас от проверок и формальных доказательств теорем о пределах для каждого конкретного вида предельных переходов или, в нашей нынешней терминологии, для каждого конкретного вида баз.
Для того чтобы окончательно освоиться с понятием предела по произвольной базе, доказательства дальнейших свойств предела функции мы проведем в общем виде.
Функцией y = f(x) называется закон (правило), согласно которому, каждому элементу x множества X ставится в соответствие один и только один элемент y множества Y .
Элемент x ∈
X
называют аргументом функции
или независимой переменной
.
Элемент y ∈
Y
называют значением функции
или зависимой переменной
.
Множество X
называется областью определения функции
.
Множество элементов y ∈
Y
,
которые имеют прообразы в множестве X
,
называется областью или множеством значений функции
.
Действительная функция называется ограниченной сверху (снизу)
, если существует такое число M
,
что для всех выполняется неравенство:
.
Числовая функция называется ограниченной
, если существует такое число M
,
что для всех :
.
Верхней гранью
или точной верхней границей
действительной функции называют наименьшее из чисел, ограничивающее область ее значений сверху. То есть это такое число s
,
для которого для всех и для любого ,
найдется такой аргумент ,
значение функции от которого превосходит s′
:
.
Верхняя грань функции может обозначаться так:
.
Соответственно нижней гранью
или точной нижней границей
действительной функции называют наибольшее из чисел, ограничивающее область ее значений снизу. То есть это такое число i
,
для которого для всех и для любого ,
найдется такой аргумент ,
значение функции от которого меньше чем i′
:
.
Нижняя грань функции может обозначаться так:
.
Определение предела функции
Определение предела функции по Коши
Конечные пределы функции в конечных точках
Пусть функция определена в некоторой окрестности конечной точки за исключением, может быть, самой точки .
в точке ,
если для любого существует такое ,
зависящее от ,
что для всех x
,
для которых ,
выполняется неравенство
.
Предел функции обозначается так:
.
Или при .
С помощью логических символов существования и всеобщности определение предела функции можно записать следующим образом:
.
Односторонние пределы.
Левый предел в точке (левосторонний предел):
.
Правый предел в точке (правосторонний предел):
.
Пределы слева и справа часто обозначают так:
;
.
Конечные пределы функции в бесконечно удаленных точках
Аналогичным образом определяются пределы в бесконечно удаленных точках.
.
.
.
Их часто обозначают так:
;
;
.
Использование понятия окрестности точки
Если ввести понятие проколотой окрестности точки ,
то можно дать единое определение конечного предела функции в конечных и бесконечно удаленных точках:
.
Здесь для конечных точек
;
;
.
Любые окрестности бесконечно удаленных точек являются проколотыми:
;
;
.
Бесконечные пределы функции
Определение
Пусть функция определена в некоторой проколотой окрестности точки (конечной или бесконечно удаленной). Предел функции f(x)
при x → x 0
равен бесконечности
, если для любого, сколь угодно большого числа M > 0
,
существует такое число δ M > 0
,
зависящее от M
,
что для всех x
,
принадлежащих проколотой δ M
- окрестности точки :
,
выполняется неравенство:
.
Бесконечный предел обозначают так:
.
Или при .
С помощью логических символов существования и всеобщности определение бесконечного предела функции можно записать так:
.
Также можно ввести определения бесконечных пределов определенных знаков, равных и :
.
.
Универсальное определение предела функции
Используя понятие окрестности точки, можно дать универсальное определение конечного и бесконечно предела функции, применимое как для конечных (двусторонних и односторонних), так и для бесконечно удаленных точек:
.
Определение предела функции по Гейне
Пусть функция определена на некотором множестве X
:
.
Число a
называется пределом функции
в точке :
,
если для любой последовательности ,
сходящейся к x 0
:
,
элементы которой принадлежат множеству X
:
,
.
Запишем это определение с помощью логических символов существования и всеобщности:
.
Если в качестве множества X взять левостороннюю окрестность точки x 0 , то получим определение левого предела. Если правостороннюю - то получим определение правого предела. Если в качестве множества X взять окрестность бесконечно удаленной точки, то получим определение предела функции на бесконечности.
Теорема
Определения предела функции по Коши и по Гейне эквивалентны.
Доказательство
Свойства и теоремы предела функции
Далее мы считаем, что рассматриваемые функции определены в соответствующей окрестности точки , которая является конечным числом или одним из символов: . Также может быть точкой одностороннего предела, то есть иметь вид или . Окрестность является двусторонней для двустороннего предела и односторонней для одностороннего.
Основные свойства
Если значения функции f(x) изменить (или сделать неопределенными) в конечном числе точек x 1 , x 2 , x 3 , ... x n , то это изменение никак не повлияет на существование и величину предела функции в произвольной точке x 0 .
Если существует конечный предел ,
то существует такая проколотая окрестность точки x 0
,
на которой функция f(x)
ограничена:
.
Пусть функция имеет в точке x 0
конечный предел, отличный от нуля:
.
Тогда, для любого числа c
из интервала ,
существует такая проколотая окрестность точки x 0
,
что для ,
,
если ;
,
если .
Если, на некоторой проколотой окрестности точки , - постоянная, то .
Если существуют конечные пределы и и на некоторой проколотой окрестности точки x 0
,
то .
Если ,
и на некоторой окрестности точки
,
то .
В частности, если на некоторой окрестности точки
,
то если ,
то и ;
если ,
то и .
Если на некоторой проколотой окрестности точки x 0
:
,
и существуют конечные (или бесконечные определенного знака) равные пределы:
,
то
.
Доказательства основных свойств приведены на странице
«Основные свойства пределов функции ».
Арифметические свойства предела функции
Пусть функции и определены в некоторой проколотой окрестности точки .
И пусть существуют конечные пределы:
и .
И пусть C
- постоянная, то есть заданное число. Тогда
;
;
;
,
если .
Если , то .
Доказательства арифметических свойств приведены на странице
«Арифметические свойства пределов функции ».
Критерий Коши существования предела функции
Теорема
Для того, чтобы функция ,
определенная на некоторой проколотой окрестности конечной или бесконечно удаленной точки x 0
,
имела в этой точке конечный предел, необходимо и достаточно, чтобы для любого ε > 0
существовала такая проколотая окрестность точки x 0
,
что для любых точек и из этой окрестности, выполнялось неравенство:
.
Предел сложной функции
Теорема о пределе сложной функции
Пусть функция имеет предел и отображает проколотую окрестность точки на проколотую окрестность точки .
Пусть функция определена на этой окрестности и имеет на ней предел .
Здесь - конечные или бесконечно удаленные точки: .
Окрестности и соответствующие им пределы могут быть как двусторонние, так и односторонние.
Тогда существует предел сложной функции и он равен :
.
Теорема о пределе сложной функции применяется в том случае, когда функция не определена в точке или имеет значение, отличное от предельного .
Для применения этой теоремы, должна существовать проколотая окрестность точки ,
на которой множество значений функции не содержит точку :
.
Если функция непрерывна в точке ,
то знак предела можно применять к аргументу непрерывной функции:
.
Далее приводится теорема, соответствующая этому случаю.
Теорема о пределе непрерывной функции от функции
Пусть существует предел функции g(t)
при t → t 0
,
и он равен x 0
:
.
Здесь точка t 0
может быть конечной или бесконечно удаленной: .
И пусть функция f(x)
непрерывна в точке x 0
.
Тогда существует предел сложной функции f(g(t))
,
и он равен f(x 0)
:
.
Доказательства теорем приведены на странице
«Предел и непрерывность сложной функции ».
Бесконечно малые и бесконечно большие функции
Бесконечно малые функции
Определение
Функция называется бесконечно малой при ,
если
.
Сумма, разность и произведение конечного числа бесконечно малых функций при является бесконечно малой функцией при .
Произведение функции, ограниченной на некоторой проколотой окрестности точки , на бесконечно малую при является бесконечно малой функцией при .
Для того, чтобы функция имела конечный предел ,
необходимо и достаточно, чтобы
,
где - бесконечно малая функция при .
«Свойства бесконечно малых функций ».
Бесконечно большие функции
Определение
Функция называется бесконечно большой при ,
если
.
Сумма или разность ограниченной функции, на некоторой проколотой окрестности точки , и бесконечно большой функции при является бесконечно большой функцией при .
Если функция является бесконечно большой при ,
а функция - ограничена, на некоторой проколотой окрестности точки ,
то
.
Если функция ,
на некоторой проколотой окрестности точки ,
удовлетворяет неравенству:
,
а функция является бесконечно малой при :
,
и (на некоторой проколотой окрестности точки ), то
.
Доказательства свойств изложены в разделе
«Свойства бесконечно больших функций ».
Связь между бесконечно большими и бесконечно малыми функциями
Из двух предыдущих свойств вытекает связь между бесконечно большими и бесконечно малыми функциями.
Если функция являются бесконечно большой при , то функция является бесконечно малой при .
Если функция являются бесконечно малой при , и , то функция является бесконечно большой при .
Связь между бесконечно малой и бесконечно большой функцией можно выразить символическим образом:
,
.
Если бесконечно малая функция имеет определенный знак при ,
то есть положительна (или отрицательна) на некоторой проколотой окрестности точки ,
то этот факт можно выразить так:
.
Точно также если бесконечно большая функция имеет определенный знак при ,
то пишут:
.
Тогда символическую связь между бесконечно малыми и бесконечно большими функциями можно дополнить следующими соотношениями:
,
,
,
.
Дополнительные формулы, связывающие символы бесконечности, можно найти на странице
«Бесконечно удаленные точки и их свойства ».
Пределы монотонных функций
Определение
Функция ,
определенная на некотором множестве действительных чисел X
называется строго возрастающей
, если для всех таких что выполняется неравенство:
.
Соответственно, для строго убывающей
функции выполняется неравенство:
.
Для неубывающей
:
.
Для невозрастающей
:
.
Отсюда следует, что строго возрастающая функция также является неубывающей. Строго убывающая функция также является невозрастающей.
Функция называется монотонной , если она неубывающая или невозрастающая.
Теорема
Пусть функция не убывает на интервале ,
где .
Если она ограничена сверху числом M
:
,
то существует конечный предел .
Если не ограничена сверху, то .
Если ограничена снизу числом m
:
,
то существует конечный предел .
Если не ограничена снизу, то .
Если точки a
и b
являются бесконечно удаленными, то в выражениях под знаками пределов подразумевается, что .
Эту теорему можно сформулировать более компактно.
Пусть функция не убывает на интервале ,
где .
Тогда существуют односторонние пределы в точках a
и b
:
;
.
Аналогичная теорема для невозрастающей функции.
Пусть функция не возрастает на интервале ,
где .
Тогда существуют односторонние пределы:
;
.
Доказательство теоремы изложено на странице
«Пределы монотонных функций ».
Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
С.М. Никольский. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 1983.
(x)
в точке x 0
:
,
если
1)
существует такая проколотая окрестность точки x 0
2)
для любой последовательности {
x n }
,
сходящейся к x 0
:
,
элементы которой принадлежат окрестности ,
последовательность {
f(x n )}
сходится к a
:
.
Здесь x 0 и a могут быть как конечными числами, так и бесконечно удаленными точками. Окрестность может быть как двусторонней, так и односторонней.
.
Второе определение предела функции (по Коши)
Число a
называется пределом функции f(x)
в точке x 0
:
,
если
1)
существует такая проколотая окрестность точки x 0
,
на которой функция определена;
2)
для любого положительного числа ε > 0
существует такое число δ ε > 0
,
зависящее от ε
,
что для всех x
,
принадлежащих проколотой δ ε
- окрестности точки x 0
:
,
значения функции f(x)
принадлежат ε
- окрестности точки a
:
.
Точки x 0 и a могут быть как конечными числами, так и бесконечно удаленными точками. Окрестность также может быть как двусторонней, так и односторонней.
Запишем это определение с помощью логических символов существования и всеобщности:
.
В этом определении используются окрестности с равноудаленными концами. Можно дать и эквивалентное определение, используя произвольные окрестности точек.
Определение с использованием произвольных окрестностей
Число a
называется пределом функции f(x)
в точке x 0
:
,
если
1)
существует такая проколотая окрестность точки x 0
,
на которой функция определена;
2)
для любой окрестности U(a)
точки a
существует такая проколотая окрестность точки x 0
,
что для всех x
,
принадлежащих проколотой окрестности точки x 0
:
,
значения функции f(x)
принадлежат окрестности U(a)
точки a
:
.
С помощью логических символов существования и всеобщности это определение можно записать так:
.
Односторонние и двусторонние пределы
Приведенные выше определения универсальны в том смысле, что их можно использовать для любых типов окрестностей. Если, в качестве мы используем левостороннюю проколотую окрестность конечной точки, то получим определение левостороннего предела . Если в качестве окрестности использовать окрестность бесконечно удаленной точки, то получим определение предела на бесконечности.
Для определения предела по Гейне это сводится к тому, что на произвольную, сходящуюся к , последовательность накладывается дополнительное ограничение - ее элементы должны принадлежать соответствующей проколотой окрестности точки .
Для определения предела по Коши нужно в каждом случае преобразовать выражения и в неравенства, используя соответствующие определения окрестности точки.
См. «Окрестность точки ».
Определение, что точка a не является пределом функции
Часто возникает необходимость использовать условие, что точка a не является пределом функции при . Построим отрицания к изложенным выше определениям. В них мы предполагаем, что функция f(x) определена на некоторой проколотой окрестности точки x 0 . Точки a и x 0 могут быть как конечными числами, так и бесконечно удаленными. Все сформулированное ниже относится как к двусторонним, так и к односторонним пределам.
По Гейне
.
Число a
не является
пределом функции f(x)
в точке x 0
:
,
если существует такая последовательность {
x n }
,
сходящаяся к x 0
:
,
элементы которой принадлежат окрестности ,
что последовательность {
f(x n )}
не сходится к a
:
.
.
По Коши
.
Число a
не является
пределом функции f(x)
в точке x 0
:
,
если существует такое положительное число ε > 0
,
так что для любого положительного числа δ > 0
,
существует такое x
,
принадлежащее проколотой δ
- окрестности точки x 0
:
,
что значение функции f(x)
не принадлежит ε
- окрестности точки a
:
.
.
Разумеется, если точка a не является пределом функции при , то это не означает, что у нее не может быть предела. Возможно, существует предел , но он не равен a . Также возможен случай, когда функция определена в проколотой окрестности точки , но не имеет предела при .
Функция f(x) = sin(1/x) не имеет предела при x → 0.
Например, функция определена при ,
но предела не существует. Для доказательства возьмем последовательность .
Она сходится к точке 0
:
.
Поскольку ,
то .
Возьмем последовательность .
Она также сходится к точке 0
:
.
Но поскольку ,
то .
Тогда предел не может равняться никакому числу a
.
Действительно, при ,
существует последовательность ,
с которой .
Поэтому любое отличное от нуля число не является пределом. Но также не является пределом, поскольку существует последовательность ,
с которой .
Эквивалентность определений предела по Гейне и по Коши
Теорема
Определения предела функции по Гейне и по Коши эквивалентны.
Доказательство
При доказательстве мы предполагаем, что функция определена в некоторой проколотой окрестности точки (конечной или бесконечно удаленной). Точка a также может быть конечной или бесконечно удаленной.
Доказательство Гейне ⇒ Коши
Пусть функция имеет в точке предел a
согласно первому определению (по Гейне). То есть для любой последовательности ,
принадлежащей окрестности точки и имеющей предел
(1)
,
предел последовательности равен a
:
(2)
.
Покажем, что функция имеет предел в точке по Коши. То есть для любого существует , что для всех .
Допустим противное. Пусть условия (1) и (2) выполнены, но функция не имеет предела по Коши. То есть существует такое ,
что для любого существует ,
так что
.
Возьмем ,
где n
- натуральное число. Тогда существует ,
причем
.
Таким образом мы построили последовательность ,
сходящуюся к ,
но предел последовательности не равен a
.
Это противоречит условию теоремы.
Первая часть доказана.
Доказательство Коши ⇒ Гейне
Пусть функция имеет в точке предел a
согласно второму определению (по Коши). То есть для любого существует ,
что
(3)
для всех .
Покажем, что функция имеет предел a
в точке по Гейне.
Возьмем произвольное число .
Согласно определению Коши, существует число ,
так что выполняется (3).
Возьмем произвольную последовательность ,
принадлежащую проколотой окрестности и сходящуюся к .
По определению сходящейся последовательности, для любого существует ,
что
при .
Тогда из (3) следует, что
при .
Поскольку это выполняется для любого ,
то
.
Теорема доказана.
Использованная литература:
Л.Д. Кудрявцев. Курс математического анализа. Том 1. Москва, 2003.
